автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Оптимизация режима работы устройств косвенно-испарительного охлаждения воздуха и их разработка

- коэффициент теплоотдачи, Вт/(м^.К);

- эксергетический к.п.д.;

- относительные потери эксергии;

- относительная влажность, %;

Q - психрометрическая разность температур, °С.

Индексы: в - вспомогательный поток воздуха; г - сухой воздух; м - мокрый термометр; н - состояние насыщения; о - основной поток воздуха; п - водяной пар.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕШЮМАССООБМЕНБЫХ ПРОЦЕССОВ "СУХОГО" ОШДДЕНИЯ ВОЗДУХА ЗА СЧЕТ ИСПАРИТЕЛЬНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ВОДЫ . ю

1.1. Обзор теоретических положений "сухого" охлаждения воздуха за счет испарительного охлаждения воды . 1°

1.2. Пути снижения достигаемых температурных уровней.

1.3. Анализ теоретических положений и методов расчета згстройств косвенно-испарительного охлаждения воздуха

1.4. Анализ путей снижения достигаемых температурных уровней в устройствах косвенно-испарительного охлаждения воздуха.

1.5. Выводы и постановка научной задачи.

2. РАЗВИТИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ КОСВЕННО

ИСПАРИТЕЛЬНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ВОЗДУХА.

2.1. Располагаемая эксергия в контактных термодинамических системах "вода - воздух".

2.2. Теоретическое описание тепло- и массообменных процессов в устройствах косвенно-испарительного охлаждения воздуха

2.3. Сопоставление достигаемых температурных перепадов в устройствах КОВ раздельного и совмещенного типов

2.4. Определение действительной температуры циркулирующей воды в совмещенной схеме КОВ.

2.5. Оценка эффективности работы устройств КОВ.

3. ЭКСПЕРШДЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ И АППАРАТОВ КОСВЕННО-ИСПАРИТЕЛЬНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ВОЗДУХА.

3.1. Экспериментальный стенд для исследования процессов и аппаратов косвенно-испарительного охлаждения воздуха.

3.2. Методика проведения эксперимента

3.3. Погрешность эксперимента.

3.4. Проведение экспериментальных исследований и их результаты.

4. АНАЛИЗ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ УСТРОЙСТВ

КООВЕННО-ИаПАРИТЖЬНОГО ОХВДЦЕНИЯ ВОЗДУХА.

4.1. Поверочный расчет устройств косвенно-испарительного охлаждения воздуха.

4.2. Термодинамический анализ процессов косвенно-испарительного охлаждения воздуха.

4.3. Термоэкономический анализ устройств КОВ.

4.4. Повышение эффективности систем косвенно-испарительного охлаждения воздуха

4.5. Метод конструктивного расчета многоступенчатых устройств косвенно-испарительного охлаждения воздуха.

5. ПРОМЫШЛЕННОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УСТРОЙСТВ K0CBEHH0

ИСПАРИТЕЛЬНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ВОЗДУХА.

5.1. Разработка и внедрение аппаратов КОВ для систем комфортного кондиционирования.

5.2. Экономическая перспективность применения устройств косвенно-испарительного охлаждения воздуха.

5.3. Перспективные конструктивные решения устройств косвенно-испарительного охлаждения воздуха.

В принятых ХШ съездом КПСС "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" предусмотрено значительное развитие агропромышленного комплекса в целях обеспечения страны продовольствием и сельскохозяйственным сырьем /I/.

Анализ наиболее актуальных проблем хозяйственного строительства и путей их решения был проведен на майском (1982 г) Пленуме ЦК КПСС. В числе главных задач выдвинуто выполнение Продовольственной программы, так как ее решение как в хозяйственном, так и в политическом плане является центральной проблемой всей пятилетки.

В пятилетнем плане определены конкретные меры по осуществлению безотходной технологии и экономии сырьевых, материальных и топливно-энергетических ресурсов, по дальнейшему улучшению качества выпускаемой продукции. Решение этой задачи является одним из важнейших условий повышения жизненного уровня и укрепления здоровья советского народа.

Важное место в технологических процессах производства мясной и молочной продукции занимает искусственный холод. В этой связи промышленность является крупным потребителем топливных и энергетических ресурсов. Предприятия отрасли расходуют 8,3 млн. тонн условного топлива в год, более 53,5 млн.Гкал теплоэнергии, 6,8 млрдлФт-ч электроэнергии. В одиннадцатой пятилетке необходимо снизить нормы расхода и достигнуть экономии топлива не менее чем на 3%, теплоэнергии - на 5%, электроэнергии - на 4,1$.

Поэтому при решении Продовольственной программы, актуальное значение приобретает повышение эффективности применения искусственного холода для сохранения качества сельскохозяйственной продукции и доведения ее с минимальными потерями к потребителю.

В этой связи большое значение приобретает работа по совершенствованию систем охлаждения применительно к установкам комфортного и технологического кондиционирования воздуха на предприятиях мясной и молочной промышленности.

Специфика производства на этих предприятиях связана с большими тепловыделениями в зону рабочих мест, что влечет за собой снижение темпов роста производительности труда работающих. Кроме того, технология этих производств связана с поддержанием определенной температуры в производственных помещениях, с целью избежания порчи перерабатываемой продукции. Этими обстоятельствами обосновано компромиссное решение по созданию, например, в цехах переработки мяса температуры воздуха, колеблющейся в пределах I6.I8°C (т.е. ниже комфортной (20.22°С), но выше технологической (0°С) /30,32/ ).

Применение для целей кондиционирования воздуха в этих условиях традиционного парокомпрессионного холодильного оборудования приводит к значительным затратам энергии. В этой связи и на основании решений ХХУ1 съезда КПСС о мерах по экономии энергоресурсов большую роль при реконструкции предприятий играет поиск новых, менее энергоемких способов и холодильных устройств, позволяющих создавать в производственных помещениях кондиционные условия с меньшими затратами энергии.

Эту же проблему следует выделить при совершенствовании систем охлаждения для камер хранения продукции при положительных температурах. Применение в этих случаях, как уже было сказано, парокомпрессионного холодильного оборудования, рассчитанного на стандартные условия ( + = -15°С, ~Ь„= 30°С), приводит к

О л снижению экономического эффекта от их применения на 12.15% /65/.

Всем вышесказанным определяется актуальность поиска новых видов холодильных устройств, использующих для своего привода бросовую энергию или энергию неравновесных частей окружающей среды.

Разработка и применение таких устройств для целей комфортного и технологического кондиционирования воздуха должна быть теоретически и технически обоснована. При этом необходимо помнить, что не всякая энергия в одинаковой степени превратима в требуемый полезный продукт (в данном случае в холод). Без понимания этого во многих случаях нельзя правильно оценить используемое холодильное устройство, его экономичность и возможность применения его в конкретном технологическом процессе.

Только комплексное решение всех перечисленных технических, теоретических и экономических задач позволит успешно справиться с выполнением планов, поставленных ХХУ1 съездом КПСС!, и решениями майского (1982 г) Пленума.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и приложения.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Экоергия неравновеоноё термодинамической системы "вода -воздух" является движущей силой процессов тепло- и массообмена в устройствах косвенно-испарительного охлаждения воздуха.

2. Холодильный эффект испарительного охлаждения определяется термической составляющей располагаемой эксергии неравновесной термодинамической системы "вода - воздух".

3. В многоступенчатых устройствах КОВ возможно достижение температур, выше, чем точка росы атмосферного воздуха.

4. При заданных начальных параметрах атмосферного воздуха и соотношении массовых расходов основного и вспомогательного воздушных потоков предельная температура охлаждения одинакова для ступеней КОВ раздельного и совмещенного типов.

5. Соотношение массовых расходов воздушных потоков = 2 соответствует оптимальному режиму работы КОВ, установленному термодинамическим и экономическим анализами.

6. Используя, по методу Мартыновского B.C., вместо цены величину теплообменной поверхности, приходящейся на единицу хо-лодопроизводительности, с точностью ^10%, можно проводить экономический анализ вновь проектируемых устройств КОВ.

7. Для систем комфортного кондиционирования экономически целесообразно применение двухступенчатых смешанных устройств КОВ (вторая ступень адиабатического испарительного охлаждения).

8. Для систем технологического кондиционирования камер сушки колбас и созревания сыров, применение многоступенчатых регенеративных схем КОВ приводит к годовому экономическому эффекту.

9. В зависимости1 от климатических зон оптимальной является установка, состоящая из трех-, четырехступенчатого устройства КОВ.

10. Коэффициент эффективности по температуре циркулирующей воды в устройстве КОВ совмещенного типа является качественной характеристикой конструкции аппарата, определяемой газодинамическим режимом его работы.

11. Энергетические затраты в устройстве КОВ не превышают 1Ъ% суммарных экономических затрат.

12. Разработаны методики поверочного и конструктивного расчетов устройств КОВ, использованных при проектировании опытных образцов КОВ, внедренных в системах комфортного кондиционирования воздуха в зоне рабочих мест тегоюнапряженных участков производств. Методики реализованы на алгоритмическом языке Ф0РТРАН-1У для счета на ЭВМ EC-I022.

Полученные выводы позволили сделать заключение о целесообразности выполнения "влажных" каналов из алюминиевых гофрированных листов.

В соответствии с методикой на заключительном этапе иссле

Рио.3.15. Процессы тепло- и массообмена в двухступенчатом КОВ с предварительным охлаждением вспомогательного потока воздуха в первой ступени.

25УС f 1 1— 1 1 < ' а 0' / /уГ-7Г, О

- V // 7,У/,

X/fkz

Рис.3.16. Процессы тепло- и массообмена в двухступенчатом КОВ без предварительного охлаждения вспомогательного потока воздуха. дования был проведен постановочный эксперимент на одноступенчатых устройствах КОВ без регенерации и с регенерацией тепла основного воздушного потока. В основе эксперимента лежало исследование процессов тепло- и массообмена в устройствах КОВ при изменении регулируемого параметра - соотношения массовых расходов основного и вспомогательного воздушных потоков для проверки основных теоретических зависимостей и положений, полученных во втором разделе. Результаты исследования представлены в таблице 3.2.

В дальнейшем, при анализе полученных экспериментальных данных будет проведено их сравнение с расчетными параметрами, определенными при помощи выведенных во втором разделе аналитических зависимостей. При этом в качестве конструктивных параметров устройства КОВ использовались параметры теплообменной поверхности, принятой для проектирования данных устройств, а также полученные для этой поверхности эмпирические зависимости гидравлического сопротивления (3.1) и коэффициента теплоотдачи (3.2).

Данные экспериментального и теоретического анализов будут положены в основу при проектировании опытно-промышленных образцов аппаратов КОВ.

1. Материалы ХХУ1 съезда КПСС. М., Политиздат, 1981, 223 с.

2. Алексеев В.П., Дорошенко А.В., Таран В.А. Устройство для косвенно-испарительного охлаждения газа. Авторское свидетельство СССР № 552494.

3. Алексеев В.П., Дорошенко А.В., Таран В.А. Способ охлаждения газа. Авторское свидетельство СССР Ш 666415.

4. Алексеев В.П., Дорошенко А.В., Таран В.А. Перспективы использования гранулированного цеолита в малогабаритных косвенно-испарительных воздухоохладителях. В кн. Холодильная техника и технология. Киев, 1977, вып.25, с.37-40.

5. Алексеев Г.Н. Преобразование энергии. М., "Наука", 1966, 190 с.

6. Алексеев Г.Н. Общая теплотехника. М., "Высшая школа", 1980, 551 с.

7. Алексеев Г.Н. Энергия и энтропия. М., "Знание", 1978, 192 с.

8. Агарев Е.М., Медникова Н.М., Медовар Л.Е. и др. Система технологического кондиционирования воздуха с децентрализованным хладоснабжением в камерах созревания и хранения сыров. Холодильная техника, 1982, № 2, с.5-11.

9. Андрющенко А.И. Основы технической термодинамики реальных процессов. М., "Высшая школа", 1975, 264 с.

10. Аничкин А.Г. Косвенно-испарительное охлаждение воздуха. Труды ГИПРОНИИ АН СССР "Вентиляция, кондиционирование и отопление", 1975, с.12-14.

11. Баркалов Б.В., Карпис Е.Е. Кондиционирование воздуха в промышленных общественных и жилых зданиях. М., Стройиздат, 1971, 269 с.

12. Берман Л.Д. Испарительное охлаждение циркуляционной воды. ГЭЙ, 1957, 320 с.

13. Бежанишвили Э.М., Хазанов И.Г., Казанская И.П., Василевская Л. С. Расчет экономической эффективности проектируемой холодильной машины. Холодильная техника, 1981, № 10, с. 5257.

14. Бес Т. Эксергия в процессах отопления, кондиционирования воздуха и сушки. В кн. Вопросы термодинамического анализа. М., "Мир", 1965, с.139-149.

15. Борде И.И. Эксергетический анализ тепло- и массообменных установок. Рига, 1970, 117 с.

16. Бошнякович Ф. Техническая термодинамика, т.2, M.-I., Гос-энергоиздат, 1956, 255 с.

17. Бродянский В.М. Эксергетический метод термодинамического анализа. М., "Энергия", 1973, 295 с.

18. Бродянский В.М., Семенов A.M. Термодинамические основы криогенной техники. М., "Энергия", 1980, 447 с.

19. Будневич 0., Голд И. Охлаждение воды до точки росы наружного воздуха. "Холодильная техника", 1953, № 3, с.17-20.

20. Бэр Г.Д. Техническая термодинамика. М., "Мир", 1977, 518 с.

21. Вигуржинский В.Н., Таран В.А., Дорошенко А.В. Устройство для косвенно-испарительного охлаждения воздуха. Авторское свидетельство (C00P) № 765603.

22. Вигуржинский В.Н., Таран В.А., Токарский И.Д. Распределитель жидкости для оросительного устройства. Авторское свидетельство В 732659 (000Р).

23. Вигуржинский В.Н., Таран В.А., Токарский И.Д. Насадка контактного аппарата. Авторское свидетельство № 732269 (СССР).

24. Вигуржинский В.Н., Таран В.А., Токарский И.Д. Насадка для теплообменного аппарата косвенно-испарительного охлаждения воздуха. Авторское свидетельство Jfc 827947 (СССР).

25. Вигуржинский В.Н., Таран В.А. Перспективы локального кондиционирования зоны рабочих мест в горячих цехах. Реферативный сборник "Культура производства и улучшение условий труда", вып.З, М., 1979, стр.27-31.

26. Вопросы термодинамики и тепломассообмена в низкотемпературных установках. Труды МЭИ, вып.491. Под ред.Бродянского В.М., М., МЭИ, 1980, 105 с.

27. Вукалович М.П. Таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара. Издательство "Энергия", М., 1965, 400 с.

28. Гоголин А.А. Оптимальные перепады температур в испарителях и конденсаторах холодильных машин. Холодильная техника, 1972, № 3, с.25-27.

29. Гоголин А.А. Кондиционирование воздуха в мясной промышленности. Изд-во "Пищевая промышленность", М., 1966, 239 с.

30. Гоголин А.А. Осушение воздуха холодильными машинами. М., "Госторгиздат", 1962, 103 с.

31. Гоголин А.А. Кондиционирование воздуха в предприятиях торговли и общественного питания. М., "Госторгиздат", 1962, 118 с.

32. Гоголин А.А., Медникова Н.М. О расчете испарительных конденсаторов. Холодильная техника, 1978, 1 2, с.28-33.

33. Голубков Б.Н., Пятачков Б.И., Романов Т.М. Кондиционирование воздуха, отопление и вентиляция. М., "Энергия", 1982, 232 с •

34. Грассман П. К обобщенному определению понятия коэффициента полезного действия. В кн. Вопросы термодинамического анализа. М., "Мир", 1965, с.15-27.

35. Дорошенко А.В., Ржепишевский К.И. Рабочие характеристики контактных косвенно-испарительных воздухоохладителей. Холодильная техника, 1983, J6 4, с.38-43.

36. Зусманович I.M. Рекомендации по расчету оросительных камер Серия ВЗ-25, М., Сантехпроект, 1968, 41 с.

37. Зусманович Л.М. Рекомендации по расчету поверхностных воздухоохладителей для систем кондиционирования воздуха и вентиляции. Серия B3-I5, М., Сантехпроект, 1969. 43 с.

38. Зусмаиович Л.М. Одно- и двухступенчатые бескомпрессорные системы кондиционирования воздуха. "Инженерное оборудование жилых и общественных зданий". Сб.научных трудов, вып.1, М., 1978, с.21-50.

39. Инструкция по проектированию двухступенчатых бескомпрессорных систем кондиционирования воздуха,ВСН 30-77, Госграждан-жилстрой СССР, М., "Стройиздат", 1977, 53 с.

40. Калнинь И.М. Критерии эффективности холодильных систем. "Холодильная техника", 1978, № 5, с.6-12.

41. Калнинь И.М., Бежанишвили Э.М. Оценка экономичности холодильного оборудования. "Холодильная техника", 1981, Л 9, с.21-27. ■

42. Калнинь И.М., Лебедев А.А., Серова С.Л. 0 выборе оптимальных параметров холодильных машин на основе оптимизации и анализа их характеристик. Холодильная техника, 1981, № 8, с.19-25.

43. Калнинь И.М., Сухомлинов И.Я. и др. Анализ эффективности воздушных и парокомпрессионных машин при положительных температурах охлаждения. Холодильная техника, 1976, J3 4,с.12-16.

44. Карпис Е.Е. Повышение эффективности работы систем кондиционирования воздуха. М., Стройиздат, 1977, с.192.

45. Карпис Е.й. Исследование и расчет процессов тепло- и массо47